CN107770913B

CN107770913B - 一种防止mos管过载的保护电路

Info

Publication number: CN107770913B
Application number: CN201711067439.6A
Authority: CN
Inventors: 罗杰; 鲁华祥; 李文昌; 王彦虎
Original assignee: Institute of Semiconductors of CAS; University of Chinese Academy of Sciences
Current assignee: Institute of Semiconductors of CAS; University of Chinese Academy of Sciences
Priority date: 2017-11-02
Filing date: 2017-11-02
Publication date: 2020-03-17
Anticipated expiration: 2037-11-02
Also published as: CN107770913A

Abstract

本公开提供了一种防止MOS管过载的保护电路，其第一输入端用于输入第一电压，第二输入端用于输入基准电压；第一电压由零变为基准电压值所需时间为第一时间，保护电路具有预设导通时间，预设导通时间为第一时间的第一倍数；第一电压由零变为峰值电压所需时间为第二时间，第二时间为第一时间的第二倍数，当第二倍数小于第一倍数时，经过第二时间后输出端翻转，当第二倍数大于第一倍数时，经过预设导通时间后输出端翻转。

Description

一种防止MOS管过载的保护电路

技术领域

本公开涉及集成电路领域，具体涉及一种防止MOS管过载的保护电路。

背景技术

近些年来，开关电源得到了越来越广泛的应用，其中的LED驱动电源的应用更是得到了极大的普及。功率MOS在电源领域有着广泛的应用，以LED驱动为例，在LED驱动中，峰值电流控制方式实现恒流输出的方法被广泛采用，其电路原理图如图1所示，是现有技术的BUCK电路的典型应用电路。该电路包括由二极管D1～D4构成的整流桥、输入电容Cin、负载LED灯珠、假负载R1、输出电容Cout、电感L、续流二极管D5、采样电阻Rcs以及虚线框中的控制器，功率MOS Q1集成在控制器内；控制器的hv端接电感，电压采样端接采样电阻Rcs，vcc端接Cvcc。

上述的电路原理：当功率开关管Q1打开后，忽略功率开关管的导通压降与Rcs的压降，电感L两端的电压为输入电压Vin与输出电压Vout的差值Vin-Vout，这就会使得电感电流以斜率(Vin-Vout)/L线性变大，该电流流经采样电阻Rcs，使得Vcs电压逐渐变大，当Vcs电压达到内部基准电压Vref时，比较器CMP1输出控制RS触发器关断功率管；功率管关断之后，由于电感电流不能突变，使得续流二极管D5导通，电感两端电压约为Vout，电感电流以斜率Vout/L逐渐减小，当电感电流减小到0时，电感消磁结束，这时控制器内部的消磁检测模块控制RS触发器重新开启功率管，完整一个完整的开关周期。

图1所示的电路中，为了防止流经MOS管与电感的电流过大，设置的有过流保护比较器，该比较器的作用就是在采样电压Vcs大于内部的Vref时输出MOS的关断信号，关断MOS，从而避免MOS电流过大。流过功率MOS的峰值为Ipk＝Vref/Rcs，如果采样电阻Rcs的电阻值很小，就会导致峰值电流Ipk很大，设MOS管Q1的饱和管压降为Vdsat，线性区的导通阻抗为Rdson，如果有Ipk*Rdson＞Vdsat，那么功率MOS管Q1会进入饱和区。

在MOS管进入饱和区之后，MOS管的漏源电压会快速上升，这就会导致在Ton期间电感L两端的压降降低，导致导通时间变大甚至是达到内部设定的最大导通时间Tonmax；导通时间的变大又会导致功率MOS处于饱和区的时间变大，导致MOS的功耗急剧上升，最终导致MOS烧毁，***炸机。

公开内容

(一)要解决的技术问题

本公开提供了一种防止MOS管过载的保护电路，可以控制功率MOS管在饱和区及时关断，避免MOS管烧毁及***炸机，增加***的可靠性。

(二)技术方案

本公开提供了一种防止MOS管过载的保护电路，包括：第一输入端、第二输入端和输出端，所述第一输入端用于输入第一电压，所述第二输入端用于输入基准电压；所述第一电压由零变为基准电压值所需时间为第一时间，所述保护电路具有预设导通时间，所述预设导通时间为所述第一时间的第一倍数；所述第一电压由零变为峰值电压所需时间为第二时间，所述第二时间为所述第一时间的第二倍数，当第二倍数小于第一倍数时，经过第二时间后所述输出端翻转，当第二倍数大于第一倍数时，经过预设导通时间后所述输出端翻转。

在本公开的一些实施例中，还包括：比较器、第一开关、第二开关、第三开关、第四开关、第五开关、第六开关、第一电容、第二电容、第三电容、运算放大器和电流源；所述比较器的同相输入端为第一输入端并连接MOS管的源极，其反向输入端作为第二输入端，其输出端控制开关的通断；所述运算放大器的同相输入端接电流源、所述第二电容的第一端、第二开关的第一端，其反向输入端接第三电容的第一端、第三开关的第一端、第四开关的第一端，其输出端接第四开关的第二端、第五开关的第一端；第一开关第一端接第二开关的第二端和第一电容的第一端；第一开关第二端、第一电容第二端、第二电容第二端、第三电容第二端、第三开关第二端、第六开关第二端接地；第五开关的第二端接的第一端，并作为保护电路的所述输出端，输出过载保护信号。

在本公开的一些实施例中，所述第一电容、第二电容、第三电容的电容值之比为(K-2)∶1∶1，所述第一倍数为K。

在本公开的一些实施例中，所述峰值电压为基准电压的M倍，第二倍数为M。

在本公开的一些实施例中，MOS管导通后且未到达第一时间时，比较器的输出端输出0，第一开关、第四开关、第六开关导通，第二开关、第三开关、第五开断开，电流源向第二电容充电，第三电容也被充电，过载保护信号为0。

在本公开的一些实施例中，当到达第一时间时，比较器的输出端输出信号1，第二开关、第五开关导通，第一开关、第三开关、第四开关、第六开关断开。

在本公开的一些实施例中，经过第二时间或预设导通时间后，第一开关、第二开关、第三开关、第四开关、第六开关导通，第五开关断开，过载保护信号为1。

本公开还提供了一种控制器，包括：上述保护电路、MOS管、RS触发器、驱动电路和退磁检测电路；MOS管的源极接比较器的同相输入端；RS触发器的S端接保护电路的输出端，其Q端经驱动电路接MOS管的栅极，其R端经退磁检测电路接MOS管的栅极。

本公开还提供了一种LED保护电路，包括：上述控制器、整流桥、输入电容、假负载、输出电容、电感、续流二极管、采样电阻。

在本公开的一些实施例中，整流桥生成输入电压；输入电容第一端接输入电压，第二端接地；续流二极管的负极接输入电压，正极接电感的第一端；输出电容、假负载并联于输入电压和电感的第二端，采样电阻的第二端接地。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本公开可以动态检测MOS管的工作状态，当MOS管由于电流过大进入饱和区，MOS管的漏源电压的变大影响了内部的峰值检测，使得峰值检测所需时间比正常工作时所需时间长时，通过MOS管过载保护关断MOS，避免MOS长时间工作于饱和区而导致炸机。

附图说明

图1为现有技术的LED驱动电路图；

图2为本公开实施例的防止MOS管过载的保护电路图；

图3为***正常工作时保护电路的时序波形图；

图4为***触发MOS管过载保护时的时序波形图。

图5为本公开实施例的保护电路应用在LED驱动电路的电路图。

具体实施方式

下面将结合实施例和实施例中的附图，对本公开实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。

本公开一实施例提供了一种防止MOS管过载的保护电路，参见图2所示，其包括：比较器CMP2、逻辑电路、开关K1、K2、K3、K4、K5、K6，电容C1、C2、C3，运算放大器A1和电流源Ic。

其中，比较器CMP2的输出端接逻辑电路，逻辑电路还接收swon信号，swon信号为最终控制MOS管开关的控制信号，逻辑电路的输出端为K1～K6control logic总线，其包括6个控制信号，分别控制K1～K6。比较器CMP2输出端输出的CSH与swon经过逻辑电路的处理产生控制开关K1～K6开通或关断的时序信号，开关可用传输门实现。

运算放大器A1的同相输入端接电流源Ic、电容C2的第一端，开关K2的第一端，反向输入端接电容C3的第一端、K3的第一端、K4的第一端，输出端接K4的第二端、K5的第一端。

开关K1第一端接K2的第二端和电容C1的第一端；开关K1的第二端接地；电容C1的第二端接地；电容C2的第二端接地；电容C3的第二端接地；开关K3的第二端接地；开关K5的第二端接K6的第一端；开关K6的第二端接地。

本实施例的保护电路是控制器的组成部分。控制器还包括：MOS管Q1、RS触发器、驱动电路DRV、比较器CMP1、退磁检测电路Tdem_det。保护电路用于防止MOS管Q1过载。保护电路比较器CMP2的同相输入端连接MOS管Q1的源极，作为控制器的电压采样端cs；比较器CMP2的反向输入端接基准电压Vref1；开关K5的第二端作为保护电路的输出端输出过载保护信号OLP，保护电路输出端与比较器CMP1的输出端接入或门(OR)电路，或门电路输出端连接RS触发器的S端；RS触发器的Q端经驱动电路DRV接MOS管Q1的栅极，其R端经退磁检测电路Tdem_det接MOS管Q1的栅极，MOS管Q1的源极作为控制器的电压采样端cs，其漏极作为控制器的高压供电端(hv端)。

控制器作为LED保护电路的组成部分，参见图5，LED保护电路还包括：整流桥、输入电容Cin、负载LED灯珠、假负载R1、输出电容Cout、电感L、续流二极管D5、采样电阻Rcs。

控制器的hv端接电感L的第一端，其电压采样端接采样电阻Rcs第一端，电源端(vcc端)接电容Cvcc第一端。整流桥包括四个二极管D1、D2、D3、D4，其将交流电压Ac转换为直流输入电压Vin。输入电容Cin第一端接输入电压Vin，第二端接地。续流二极管D5的负极接输入电压Vin，正极接电感L的第一端。输出电容Cout、假负载R1、负载LED灯珠并联于输入电压Vin和电感L的第二端，负载LED灯珠两端输出电压Vout。采样电阻Rcs的第二端和电容Cvcc的第二端接地。

本实施例防止MOS管过载的保护电路，在MOS管Q1导通后，电压采样端cs的电压Vcs从0开始变大。在电压Vcs达到基准电压Vref1之前，比较器CMP2的输出信号CSH为0，此时K1导通，K2断开，K3断开，K4导通，K5断开，K6导通。电流源Ic给电容C2充电，同时运算放大器A1充当跟随器，电容C3也被充电，其电压跟随电容C2的电压，输出过载保护信号OLP为0。

当到达时间t1，电压Vcs达到基准电压Vref1，比较器CMP2的输出信号CSH翻转为1，此时，先导通K2，然后断开K1，K3断开，K4断开，K5导通，K6断开。

在t1时刻，运算放大器A1的同相输入端A、反相输入端B的电压都为i_c*t1/c₂，i_c为电流源Ic的电流值，c₂为电容C2的电容值。运算放大器A1充当比较器，电容C3上的电压保持不变，电容C1与C2并联，二者的电压重新置零，电流源Ic对并联电容C1与C2进行充电。

经过导通时间t2后，MOS管关断，此时K1导通，K2导通，K3导通，K4导通，K5断开，K6导通，将所有电容状态都清零。

本实施例中，电容C1、C2、C3的电容值之比c₁∶c₂∶c₃＝(K-2)∶1∶1，这就使得比较器输出信号CMP翻转前后的电容C2的电压上升斜率比为(K-1)∶1，这样的话MOS管的导通时间(即运算放大器A1的输出信号OLP从0翻转为1的时间)t2＝t1+(K-1)*t1＝K*t1。

本实施例保护电路的基准电压Vref1的值可以设定地比较小，这样就可以近似地认为在电压Vcs达到Vref1之前，MOS管工作在线性区。同时，设定***正常工作的电压采样端cs的峰值电压Vref＝M*Vref1，并有M＜K。控制器以及LED保护电路正常工作时，MOS管始终工作在线性区，此时电压Vcs达到峰值电压Vref所需要的导通时间t3＝M*t1，由于M＜K，所以t3＜t2，因此正常工作情况下通过控制器内部的峰值电压限制来关断MOS管，即MOS管在经过导通时间t3后关断，并不会触发MOS过载保护。设开关导通时对应的状态为1，关断时对应的状态为0，那么正常工作时，保护电路的时序图如图3所示。

如果采样电阻Rcs的电阻值很小，并且峰值电流Ipk、MOS管Q1的饱和管压Vdsat和线性区的导通阻抗Rdson满足Ipk*Rdson＞Vdsat，那么在MOS管导通期间，MOS管会进入饱和区，其漏源两端电压Vds会迅速变大，由于落在电感L两端的电压差V_L＝Vin-Vout-Vds，V_L会迅速下降，这就导致电感L的电流上升斜率K1＝V_L/L变小，从而采样电阻Rcs的电压Vcs的上升斜率逐渐变小，这就可能导致电压Vcs达到正常工作的峰值电压Vref所需要的导通时间t3变大，从而使得t3＞t2。此时MOS管经过导通时间t2而不是t3后即关断，从而触发过载保护，在正常关断信号产生之前将MOS管关断，避免了由于MOS管长时间工作于饱和区，功耗迅速上升从而炸机的危险。如图4所示，在电压Vcs还没有达到Vref时，运算放大器A1的同相输入端A的电压重新达到运算放大器A1的反相输入端B的采样保持电压，比较器CMP2输出信号OLP翻转为1，控制器根据OLP的翻转控制关断MOS管，起到MOS过载保护的作用。

本公开另一实施例还提供一种控制器，控制器包括：上述实施例的保护电路、MOS管Q1、RS触发器、驱动电路DRV和退磁检测电路Tdem_det，保护电路用于防止MOS管Q1过载。

本公开另一实施例还提供一种LED保护电路，LED保护电路包括：上述实施例的控制器、整流桥、输入电容Cin、负载LED灯珠、假负载R1、输出电容Cout、电感L、续流二极管D5、采样电阻Rcs。

至此，已经结合附图对本实施例进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本公开有了清楚的认识。

需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换，例如：

(1)实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围；

(2)上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。

以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims

1.一种防止MOS管过载的保护电路，包括：第一输入端、第二输入端和输出端，

所述第一输入端用于输入第一电压，所述第二输入端用于输入基准电压；

所述第一电压由零变为基准电压值所需时间为第一时间，所述保护电路具有预设导通时间，所述预设导通时间为所述第一时间的第一倍数；所述第一电压由零变为峰值电压所需时间为第二时间，所述第二时间为所述第一时间的第二倍数，

当第二倍数小于第一倍数时，经过第二时间后所述输出端翻转，当第二倍数大于第一倍数时，经过预设导通时间后所述输出端翻转。

2.如权利要求1所述的保护电路，还包括：比较器、第一开关、第二开关、第三开关、第四开关、第五开关、第六开关、第一电容、第二电容、第三电容、运算放大器和电流源；

所述比较器的同相输入端为第一输入端并连接MOS管的源极，其反向输入端作为第二输入端，其输出端控制开关的通断；

所述运算放大器的同相输入端接电流源、所述第二电容的第一端、第二开关的第一端，其反向输入端接第三电容的第一端、第三开关的第一端、第四开关的第一端，其输出端接第四开关的第二端、第五开关的第一端；

第一开关第一端接第二开关的第二端和第一电容的第一端；第一开关第二端、第一电容第二端、第二电容第二端、第三电容第二端、第三开关第二端、第六开关第二端接地；第五开关的第二端接的第一端，并作为保护电路的所述输出端，输出过载保护信号。

3.如权利要求2所述的保护电路，所述第一电容、第二电容、第三电容的电容值之比为(K-2):1:1，所述第一倍数为K。

4.如权利要求2所述的保护电路，所述峰值电压为基准电压的M倍，第二倍数为M。

5.如权利要求2所述的保护电路，MOS管导通后且未到达第一时间时，比较器的输出端输出0，第一开关、第四开关、第六开关导通，第二开关、第三开关、第五开断开，电流源向第二电容充电，第三电容也被充电，过载保护信号为0。

6.如权利要求5所述的保护电路，当到达第一时间时，比较器的输出端输出信号1，第二开关、第五开关导通，第一开关、第三开关、第四开关、第六开关断开。

7.如权利要求6所述的保护电路，经过第二时间或预设导通时间后，第一开关、第二开关、第三开关、第四开关、第六开关导通，第五开关断开，过载保护信号为1。

8.一种控制器，包括：如权利要求1至7中任一项所述的保护电路、MOS管、RS触发器、驱动电路和退磁检测电路；

MOS管的源极接比较器的同相输入端；

RS触发器的S端接保护电路的输出端，其Q端经驱动电路接MOS管的栅极，其R端经退磁检测电路接MOS管的栅极。

9.一种LED保护电路，包括：权利要求8所述的控制器、整流桥、输入电容、假负载、输出电容、电感、续流二极管、采样电阻。

10.如权利要求9所述的LED保护电路，整流桥生成输入电压；输入电容第一端接输入电压，第二端接地；续流二极管的负极接输入电压，正极接电感的第一端；输出电容、假负载并联于输入电压和电感的第二端，采样电阻的第二端接地。